مراجعة حول طوبولوجيا وتطبيقات التحكم في محولات الطاقة الإلكترونية ذات الجهد المتوسط ​​والعالي (الجزء الثاني)

2. اختيار الهيكل العام لـ PET

تتنوع تصميمات محولات الطاقة الكهروكيميائية (PET) بشكل كبير. وبناءً على عدد مراحل تحويل الطاقة، يمكن تصنيفها إلى أنواع أحادية المرحلة، وثنائية المرحلة، وثلاثية المرحلة [7]. تشمل الهياكل ثنائية المرحلة تلك التي تحتوي على ناقلات تيار مستمر عالية الجهد وأخرى منخفضة الجهد، كما هو موضح في الشكل 1.

في أجهزة التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني أحادية المرحلة (الشكل 1(أ))، تردد متوسط/عالي محول عزل يربط محول التيار المتردد/المتردد على كلا الجانبين. يقوم محول التيار المتردد/المتردد في الجانب الابتدائي بتعديل جهد التيار المتردد الداخل بتردد الشبكة إلى جهد تيار متردد عالي التردد، والذي يتم توصيله عبر المحول ثم يُعاد تحويله إلى جهد تيار متردد بتردد الشبكة بواسطة محول التيار المتردد/المتردد في الجانب الثانوي. تتميز محولات الطاقة الكهربائية أحادية المرحلة بقلة مراحل التحويل والمكونات، وكفاءة عالية، وكثافة طاقة عالية. ومع ذلك، فإن افتقارها إلى ناقل تيار مستمر يجعلها غير مناسبة لشبكات التيار المتردد/المستمر الهجينة، كما أن التحكم في فصل الطاقة معقد.

تتميز محولات الطاقة الكهروضوئية ثنائية المراحل بوجود ناقل تيار مستمر على جانب الجهد العالي أو المنخفض. يشبه تصميم محول العزل على أحد جانبيه تصميم محول الطاقة الكهروضوئية أحادي المرحلة، بينما يتصل الجانب الآخر بناقل التيار المستمر عبر دوائر تحويل التيار المتردد/المستمر أو التيار المستمر/المتردد (الشكل 1(ج) والشكل 1(د)). بفضل وصلات التيار المستمر ذات الجهد العالي أو المنخفض، يمكن لمحولات الطاقة الكهروضوئية ثنائية المراحل الاتصال بشبكات التيار المستمر ذات الجهد المتوسط/العالي على جانب الجهد العالي، أو بأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية/التخزين على جانب الجهد المنخفض. مع ذلك، تتأثر القدرة الفعالة المنقولة بواسطة المحولات على جانبي محول العزل بشكل كبير بمعاملات الحث التسريبي للمحول. بالإضافة إلى ذلك، يتعرض مكثف ناقل التيار المستمر لتقلبات كبيرة في الجهد بتردد مضاعف، كما أن تقلبات تيار المحول كبيرة [7]، مما يجعل التحكم فيه أمرًا صعبًا.

تحتوي محولات الطاقة الكهروكيميائية ثلاثية المراحل (الشكل 1(ب)) على ناقلات تيار مستمر على جانبي الجهد العالي والمنخفض. يتم تقويم تيار التيار المتردد الداخل بتردد الشبكة إلى ناقل تيار مستمر عالي الجهد عبر تحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر، ثم يتم تعديله إلى موجات مربعة عالية التردد، وربطه بجانب الجهد المنخفض عبر محول متوسط/عالي التردد، وتقويمه مرة أخرى إلى ناقل تيار مستمر منخفض الجهد، وأخيرًا يتم عكسه إلى جهد تيار متردد بتردد الشبكة عبر تحويل التيار المستمر إلى تيار متردد. يمكن توصيل محولات الطاقة الكهروكيميائية ثلاثية المراحل بأنظمة التيار المستمر عالية ومنخفضة الجهد. يتم التحكم في كل مرحلة من مراحل التحويل بشكل مستقل نسبيًا، مما يسهل فصلها والتحكم في التعويض. ومع ذلك، فإن تعدد مراحل التحويل يؤدي إلى بنية معقدة للغاية. بفضل التصميم متعدد المراحل، تُسهّل طوبولوجيات محولات الطاقة الكهروكيميائية ثلاثية المراحل التوصيل المتتالي على جانب الجهد العالي والتوصيل المتوازي على جانب الجهد المنخفض، مما يلبي احتياجات تطبيقات الجهد المتوسط/العالي. لذلك، تُعد طوبولوجيات ثلاثية المراحل الأكثر استخدامًا في أبحاث وتطبيقات محولات الطاقة الكهروكيميائية ذات الجهد المتوسط/العالي.

في تطبيقات الجهد المتوسط/العالي لوحدات نقل الطاقة الكهرومغناطيسية (PETs)، يتميز جانب الجهد المنخفض بمستويات جهد منخفضة مع قيود جهد ضئيلة على الجهاز. في المقابل، تواجه مرحلة تقويم الجهد العالي ومرحلة العزل الوسيطة مستويات جهد عالية، مما يفرض متطلبات أكثر صرامة على تصميمات الدوائر والأجهزة. تركز الأبحاث الحالية على اتجاهين: ① تصميمات جديدة وأساليب تحكم لوحدات نقل الطاقة الكهرومغناطيسية ذات الجهد المتوسط/العالي بناءً على تصنيفات جهد الجهاز الحالية؛ ② تصميمات وأساليب تحكم لوحدات نقل الطاقة الكهرومغناطيسية باستخدام أجهزة جديدة ذات جهد عالٍ، مثل أجهزة كربيد السيليكون (SiC) بجهد 10 كيلو فولت [8، 9]. مع ذلك، لا تزال أجهزة كربيد السيليكون ذات الجهد العالي في مرحلة البحث والتطوير المختبرية، ولا تستطيع الأجهزة التجارية تلبية متطلبات الجهد حتى الآن. لذلك، تُستخدم تصميمات متعددة الوحدات متتالية أو تصميمات متعددة المستويات أحادية الوحدة لتلبية متطلبات جهد الإدخال العالي. يوضح الشكل 2 تصميمات نموذجية، تم تحليلها في القسم 3.